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5: DataLink Layer 5a-1

Chapter 5Data Link Layer

Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 2nd edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2002.

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All material copyright 1996-2002J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved


Chapter 5: データリンク層目標:データリンク層サービスの背景にある原理の理解:誤り検出，訂正

ブロードキャストチャネルの共有：多重アクセス

リンク層アドレッシング

高信頼データ転送，フロー制御: 完了！

さまざまなリンク層技術の実例と実装


Chapter 5 内容

5.1 イントロダクションとサービス

5.2 誤り検出と訂正5.3 多重アクセスプロトコル

5.4 LAN アドレスとARP5.5 イーサーネット

5.6 ハブ，ブリッジ，スイッチ

5.7 無線リンク，ＬＡＮ5.8 PPP5.9 ATM5.10 フレームリレー


Link Layer: イントロダクションSome terminology:ノード：ホスト，ルータ（ブリッジ，スイッチも）

リンク：通信パスに沿って隣接ノードを接続する通信チャネル

有線リンク

無線リンク

LANsフレーム：２層PDU，データグラムをカプセル化

“link”

データリンク層は，データグラムをノードからその隣接ノードへリンクを介して転送する責任がある


リンク層：状況

データグラムは，異なるリンクを介した，異なるリンクプロトコルによって転送される:例，最初にEthernet，中継リンクはフレームリレー，最後に802.11

各リンクプロトコルは異なるサービスを提供例，リンク上で高信頼性データ転送を提供するか，そうでないか

交通機関との類似性Princeton から Lausanne への旅行

リムジン: Princeton から JFK飛行機: JFK から Geneva鉄道: Geneva から Lausanne

旅行者 = データグラム交通機関区間 = 通信リンク交通機関種別 = リンク層プロトコル

旅行代理店 = 経路制御アルゴリズム


リンク層サービス

フレーミング，リンクアクセス:ヘッダ・トレイラを追加し，データグラムをフレームにカプセル化

共有媒体の場合，チャネルアクセス

始点と終点の識別に‘物理アドレス’を使用

• IPアドレスとは違う！

隣接ノード間の高信頼転送３章で学習済み！

低誤り率リンクではあまり使われない（光ファイバ，いくつかのより対線）

無線リンク：高誤り率

• 質問：リンクレベルとエンド間の信頼性の両方が必要なわけ

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リンク層サービス（つづき）

フロー制御：

隣接する送受信ノード間で速度調整

誤り検出：信号劣化，ノイズによる誤り

受信端末は誤りの存在を検出: • 送信側に再送を要求するかフレームを廃棄する

誤り訂正：受信側は，ビット誤りを同定し，再送を要求することなく訂正する

半二重，全二重半二重では，リンク両端のノード双方が通信できるが，同時にはできない


アダプタ間通信

リンク層は“アダプタ”内に実装（NIC）

Ethernet card, PCMCI card, 802.11 card

送信側:データグラムをフレームにカプセル化

エラーチェックビット，信頼性，フロー制御などを追加

受信側エラー，高信頼性制御，フロー制御などをチェック

アダプタは半自動

リンク＆物理層

送信ノード

frame

受信ノードデータグラム

frame

アダプタアダプタ

リンク層プロトコル


Chapter 5 内容







誤り検出EDC= Error Detection（検出） and Correction（訂正） bits （冗長ビット）D = エラーチェックにより保護されるデータ部（ヘッダ部を含む場合がある）

•誤り検出は 100% 信頼できるわけではない！• プロトコルはエラーを見逃しうるが，それはまれ• EDC フィールドが大きいほど，誤り検出，訂正能力は向上する


パリティチェック

１ビットパリティ:１ビット誤りを検出

２次元ビットパリティ:１ビット誤りを検出訂正

0 0


インターネットチェックサム

送信側:セグメントの内容を 16ビット整数列として扱う

チェックサム：セグメント内容の１６ビット整数の１の補数和チェックサム値をUDP，TCPチェックサムフィールドに記入

受信側:受信セグメントのチェックサム和を計算

計算結果がチェックサムフィールドと同じかどうかをチェック:

NO – 誤り検出YES – 誤り未検出. 誤りはあるかもしれない…

目標:伝送セグメント内の誤り検出 (例，ビット反転) (注意: トランスポート層のみで用いられる)

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チェックサム:巡回剰余チェックデータビットDを二進数とみなすr+1 ビットパターン（生成多項式），G，を求める目標: CRC ビット（r ビット） R を計算する

<D,R> が G で割り切れる(モジュロ 2 演算) 受信側はGは既知，Gで<D,R>を除算．剰余が非ゼロなら誤り検出！r+1 ビット以下のバーストエラーを検出可能

広く利用されている (ATM, HDCL)


CRC の例欲しいもの:

D.2r XOR R = nG等価:

D.2r = nG XOR R 等価:

D.2r を Gで除算した余り R が必要

R = remainder[ ]D.2r

G


Chapter 5 内容







多重アクセスリンク・プロトコル

“リンク”は２種類ある:１対１型ダイアルアップ接続のためのPPPスイッチとホスト間のポイント・ツー・ポイントリンク

放送型 (共有線・媒体)旧型イーサネット

HFC上りチャネル（下りもそうだが競合はない）802.11 無線 LAN


多重アクセスプロトコル

単一共有放送チャネル

複数ノードによる同時転送：干渉

同時には一つのノードのみが送信成功できる

多重アクセスプロトコル

どのようにノードがチャネルを共有するか，つまり，いつノードが送信できるかを決定するための分散アルゴリズム

チャネル共有のための通信はチャネル自身を用いなければならない！


理想的多重アクセスプロトコル

レート R bps のブロードキャストチャネル1. あるノードが転送する場合はレート R で送信できる．2. M ノードが転送したい場合，各ノードは平均レート R/M で転送する．

3. 完全分散化：転送を調停するための特殊ノードなし．

クロック，スロットの同期なし

4. 簡単

4


MAC プロトコル: 分類３種類に大別:チャネル分割型チャネルを分割（時間スロット，周波数，コード）

各ノードに排他的に分割チャネルを割当

ランダムアクセス型チャネルは分割されない，コリジョン（衝突）が発生しうる

コリジョンからの回復機能

送信権巡回型コリジョン回避のために共有アクセスを厳密に管理


チャネル分割 MAC プロトコル: TDMATDMA: time division multiple access（時分割多重アクセス）

各局は，順番にチャネルにアクセスし，固定長スロットを得る（スロット長 = パケット送信時間）未使用スロットはアイドルのまま

例：6局ＬＡＮで，局１，２，３がパケット送信する場合，スロット２，５，６は未使用（アイドル）


チャネル分割 MAC プロトコル: FDMAFDMA: frequency division multiple access（周波数分割アクセス）

チャネル帯域を複数の周波数帯に分割

各局に固定周波数帯を割当て

周波数帯での未使用伝送時間はアイドルのまま

例：6局ＬＡＮで，局１，２，３がパケット送信する場合，周波数帯２，５，６は未使用（アイドル）

freq

uenc

y ba

nds

time


チャネル分割 MAC プロトコル： CDMA

CDMA (Code Division Multiple Access)（符号分割多重アクセス）ユーザごとに一意のコードを割当：すなわちコード集合分割

たいていの無線放送チャネルで使用（セルラ，衛星，など）

全ユーザが同一周波数を共有するが，各ユーザはデータを符号化するために自身の拡散系列（符号）を使用符号化信号 = (元データ) X (拡散符号)復号化:符号化信号と拡散係数の内積複数ユーザが同時に最小の干渉で同時に送信できる（コードが直交していれば）


CDMA 符号化/復号化


CDMA: 2送信局間の干渉

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ランダムアクセスプロトコル

ノードが送信すべきパケットを有する場合フルチャネルデータレート R で送信ノード間での事前協調はなし

複数ノードの同時送信→コリジョン

ランダムアクセス MAC プロトコルは以下を記述: コリジョンをどのように検出するか

コリジョンからどのように回復するか（例，再送）

ランダムアクセス MAC プロトコルの例:Slotted ALOHAALOHACSMA, CSMA/CD, CSMA/CA


Slotted ALOHA

仮定

全フレームは同一サイズ

時間を同一サイズスロット（1フレーム送信に要する時間）に分割

ノードはスロット開始時にのみフレーム送信開始

ノードは同期している

スロット内に複数ノードが送信した場合，全ノードが衝突を検出

動作

ノードは送信すべきフレームを受け取ると，次するっとで送信

衝突しなかった場合，ノードは次スロットで新規フレームを送信可能

衝突した場合，成功するまで続く各スロットで確率 p で再送


Slotted ALOHA

利点

単一のアクティブなノードは，フルチャネルレートで連続して送信可能

高い分散性：スロットが

同期している必要があるのみ

単純

欠点

衝突によるスロットの浪費

アイドルなスロットが生じうる

ノードはパケット送信時間より小さい時間で衝突を検出


Slotted ALOHA の効率

Nノードは，送信すべきフレームを常に有し，確率p で各スロットで送信する第１ノードがあるスロットで送信成功する確率

= p(1-p)N-1

任意のノードが送信成功する確率= Np(1-p)N-1

効率 Np(1-p)N-1 が最大となる確率 p* を見出す多数のノードに対し，N を無限にしたときのNp*(1-p*)N-1 の極限をとる

1/e = .37 を得る

効率：送信すべきフレームを有す

る多数のノードがある場合の，スロットが送信成功に利用されている時間割合

チャネルが有効な転送に用いられている割合は高々３７％！


Pure (unslotted) ALOHAunslotted ALOHA: より単純，非同期フレームが到着すると即時送信

衝突確率は増加:時刻 t0 に送信されたフレームは [t0-1,t0+1] に送信された他のフレームと衝突する


Pure ALOHA の効率P(success by given node) = P(node transmits) .

P(no other node transmits in [t0-1,t0] .P(no other node transmits in [t0, t0-1]

= p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1

= p . (1-p)2(N-1)

…最適なpを選択して，nを無限大にすれば...

= 1/(2e) = .18

さらに悪い !

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CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

CSMA:送信前に聞く:もしチャネルがアイドルなら，全フレームを送信

もしチャネルがビジーなら，送信を延期

人との類似点：他人の会話を邪魔しない！


CSMA 衝突それでも衝突は起こりうる:伝播遅延によって二つのノードは互いの送信を聞くことができないかもしれない

衝突:全パケットの送信は時間の無駄

ノードの空間的レイアウト

注意:距離と伝播遅延が衝突確率の決定に影響を与える


CSMA/CD (Collision Detection)CSMA/CD: キャリアセンスと送信延期はCSMAと同じ

衝突を短時間に検出

衝突した転送は中止することでチャネル浪費を減少

衝突検出:有線 LAN では容易：信号強度を計測し，送受信信号を比較する

無線 LAN では困難：送信中は受信機はオフ人との類似：礼儀正しい座談家


CSMA/CD 衝突検出


送信権巡回 MAC protocols

チャネル分割 MAC プロトコル:高負荷では，チャネルを効率よく，公平に共有

低負荷では非効率：チャネルアクセスにおける遅延大，アクティブノードがひとつでも 1/N の帯域が割当てられる

ランダムアクセス MAC プロトコル低負荷では効率がよい：ひとつのノードがチャネルを完全に利用できる

高負荷：コリジョンオーバヘッド大

送信権巡回プロトコル

両者の利点を追求


送信権巡回 MAC プロトコルポーリング:主局は，順番に従局に送信を問い合わせ

問題:ポーリングオーバヘッド

遅延

単一故障点（主局）

トークンパッシング:ノードからノードへ順番にわたされるトークンを制御

トークンメッセージ

問題:トークンオーバヘッド

遅延

単一故障点（トークン）

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MAC プロトコルのまとめ

共有媒体をどのように扱うか？

チャネル分割：時間，周波数，符号• 時分割，周波数分割，符号分割ランダム分割（動的）

• ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD• 衝突検出: 有線では容易，無線では困難• CSMA/CD は Ethernet で使用されている

送信権巡回• 中央局からのポーリング（問い合わせ）• トークンパッシング


LAN 技術データリンク層（これまで）:

サービス，誤り検出/訂正，多重アクセスつぎ: LAN 技術

アドレッシング

Ethernetハブ，ブリッジ，スイッチ

802.11PPPATM


LAN アドレスと ARP

32-bit IP アドレス:ネットワーク層アドレス

終点IPネットワークにデータグラムを運ぶために利用(IPネットワークの定義を思い出そう)

LAN (or MAC or physical or Ethernet) アドレス: データグラムを，あるインタフェースから物理的に接続されたインタフェースに運ぶために利用 (同一ネットワーク)48 bit MAC アドレス (ほとんどLANで使用) アダプタの ROM に焼付けられている


LAN アドレスと ARPLAN 上の各アダプタは，ユニークな LAN アドレスを有する


LAN アドレス（もっと）

MAC アドレス割当ては IEEE によって管理製造業者は，MACアドレス空間の一部を買う（一意性を保証するために）

類似性:(a) MAC address: 社会保障番号（SSN）に類似(b) IP address: 郵便アドレス

非階層 MAC アドレス => 移植性カードを LAN から LAN に移動できる

IP 階層アドレスはポータブルではないノードが接続された IP ネットワークに依存


ルーティングについて思い出そう

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4 223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2223.1.3.1

223.1.3.27

A

BE

ノード A から B に向けられたIP データグラム：B のネットワークアドレスを調べ，Bが A と同一ネットワークにあるとわかる

リンク層はリンク層フレームにデータグラムをカプセル化して B に送信

B’s MACaddr

A’s MACaddr

A’s IPaddr

B’s IPaddr IP payload

datagramframe

フレーム始点終点アドレス

データグラム始点終点アドレス

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ARP: Address Resolution Protocol

LAN 上の各 IP ノード（ノード，ルータ）は，ARPテーブルをもつ

ARPテーブル: 同一 LAN ノードにおける IP/MAC アドレスマッピング

< IP address; MAC address; TTL>TTL (Time To Live): アドレスマッピングを忘れるまでの時間（通常，２０分）

疑問: B の IP アドレスを知っているとして，どうやって B の MAC アドレスを知るか


ARP プロトコルA は B にデータグラムを転送したい，A は B の IP アドレスを知っている

B のマックアドレスが A のARP テーブルがないと仮定しよう

A は，B の IP アドレスを含むARP クエリパケットをブロードキャストする

LAN 上の全マシンは ARP クエリを受信

B は ARP パケットを受信すると，自身（B）の MAC アドレスを A に応答する

A の MAC アドレスに送信される（ユニキャスト）

A は情報が古くなるまで（タイムアウトするまで） IP-to-MAC アドレス対をARPテーブルにキャッシュ（セーブ）する

ソフトステート: リフレッシュされなければタイムアウトする情報

ARP は “plug-and-play”:ノードは ARP テーブルを，ネットワーク管理者が介在することなく生成


他の LAN へのルーティング段階的説明: AからBへRを介してデータグラムを送信

AはBのIPアドレスを知っていると仮定

ルータ R は二つのARPテーブルをもつ，各 IP ネットワーク（LAN）に対して一つもつ

A

RB


A は，始点A，終点Bのデータグラムを生成A はARPを使って111.111.111.110に対するRのMAC アドレスを入手A はRのMACアドレスを終点とするリンク層フレームを生成する．フレームはAからBへのIPデータグラムを含むA のデータリンク層はフレームを送信R のデータリンク層はフレームを受信R はEthernetフレームからIPデータグラムを抽出し，これがB向けであることを知る

R はBのMACアドレスを得るためにARPを使用するR はAからBへのIPデータグラムを生成し，Bに送信する

A

RB


Ethernet最も普及している LAN 技術:

100Mbsでも$20と安い！トークンLANやATMよりも原理が簡単で安い速度競争でも負けていない: 10, 100, 1000 Mbps

Metcalfe’s Ethernetsketch


Ethernet フレーム構造送信アダプタは IPデータグラム（または他のネットワーク層プロトコル）をEthernetフレームにカプセル化

プリアンブル:パターン10101010が7バイト続き，その後，パターン10101011が１バイト続く送受信側のクロックレートを同期させるために利用

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Ethernet フレーム構造（つづき）Address: 6 bytesアダプタが終点アドレスと自身のMACアドレスと一致するフレームあるいはブロードキャストアドレス（例えば，ARPパケット）を受信すると，フレームをネットワーク層プロトコルに渡す

そうでなければ，アダプタはフレームを廃棄する

Type:上位層プロトコルを示す．たいていの場合 IPプロトコル．Novell IPX and AppleTalkなどもサポート．CRC:受信局でチェック，誤り検出の場合，フレーム廃棄


低信頼，コネクションレスサービス

コネクションレス:送受信アダプタ間でハンドシェイクなし低信頼:受信アダプタは送信アダプタに ACK や NACK を返信しないネットワーク層にわたされるデータグラムストリームには（フレーム廃棄による）ギャップ（抜け）がありうる

アプリがTCPを使用していればギャップを埋めることができるそうでなければ，アプリにはギャップがそのまま伝わる


Ethernet における CSMA/CD

スロットなし

アダプタは，他のアダプタの送信を検出（carrier sense）すれば，送信をおこなわない

送信中のアダプタが他のアダプタの送信を検出すれば，送信を中止する（collision detection）

再送を試みる前に，ランダム時間まつ，すなわちランダムアクセス（random access）


Ethernet CSMA/CD アルゴリズム

1. アダプタはデータグラムを上位層から受け取るとフレームを生成

2. アダプタがチャネルがアイドルであることを検出すると，フレーム送信を開始．チャネルがビジーであることを検出すると，アイドルになるまで待ってから送信

3. アダプタが他のフレーム送信を検出することなくフレーム全体を送信すれば，フレーム送信を終了

4. もしアダプタがフレーム送信中に他のフレーム送信を検出すれば，送信を中止し，ジャム信号を送信

5. 送信中止後，アダプタは，指数バックオフ（exponential backoff）をおこなう： m 回目の衝突の直後，アダプタは値K をランダムに{0,1,2,…,2m-1} から選択．アダプタは，K*512 ビットタイム（ビット送信時間）待ち，ステップ２に戻る


Ethernet’s CSMA/CD （つづき）ジャム信号: 他の全てのアダプタに衝突の発生を確実に知らせる；48 bits;

ビットタイム: 10 Mbps Ethernet では 0.1 microsec； K=1023 の場合，約50 msec 待つ

指数バックオフ:目的: アダプタは，現在のトラヒック負荷を推測しながら再送をおこなう

高負荷時：ランダム待ち時間は長くなる

最初の衝突: K は{0,1}から選ぶ；遅延は K x 512ビット送信時間

２回目の衝突以降： K を{0, 1,2, 3} から選ぶ１０回目の衝突以降，K を{0,1,2,3,4,…,1023} から選ぶ


CSMA/CD の効率

Tprop = LANにおける2ノード間最大伝播遅延ttrans = 最大サイズフレーム送信時間

効率は，tpropが 0 に近づくと，1 に近づくttransが無限大になれば 1 に近づくALOHA よりずっと効率が良く，また分散型で，簡単，安い

transprop tt /511efficiency

+=

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Ethernet 技術: 10Base210: 10Mbps; 2:最大ケーブル長 200 metersバストポロジ，細い同軸ケーブル(thin coaxial cable)

複数のセグメントを接続するためにリピータを使用

リピータは一方にインタフェースで聞こえた信号を他方のインタフェースに増幅して送信：物理層デバイスのみ

もはや古い技術になった5: DataLink Layer 5a-56

10BaseT and 100BaseT10/100 Mbps rate; 後に “fast ethernet” と呼ばれるTは Twisted Pair （より対線）をあらわすノードはハブに接続される: “スター型トポロジ”; ノード・ハブ間の最大距離は 100 m

ハブは，本質的には物理層リピータ（馬鹿ハブのこと）

あるリンクからきたビット列を他のリンクに流す

フレームバッファリングなし

ハブはCSMA/CDをおこなわない：アダプタがコリジョンを検出する

ネットワーク管理機能を提供する

hub

nodes


Manchester 符号

10BaseT, 10Base2で使用される各ビットが遷移をもつ

送受信ノードが互いにクロック同期することを可能にするクロック同期をノード間で分散して実現できる

ただしこれは物理層の内容


Gbit Ethernet

Ethernet frame フォーマットを使用ポイント・ツー・ポイントリンク，共有ブロードキャストチャネルでの使用が可能

共有モードでは，CSMA/CD を使用，効率をあげるためにはノード間距離を短くする

“Buffered Distributors”と呼ばれるハブを使用するポイント・ツー・ポイント接続では 1 Gbps全二重現在では 10 Gbps


Chapter 5 内容







LAN セグメント間接続

ハブ

ブリッジ

スイッチ注意: スイッチは本質的にはマルチポートブリッジブリッジに関することはスイッチにもあてはまる

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ハブによる接続（いわゆるバカハブ）

バックボーンハブは LAN セグメントを相互接続ノード間の最大距離を拡張

各セグメントのコリジョンドメインは統合され一つの大きなコリジョンドメインになる

CS 内のノードと EE 内のノードが同時送信した場合：衝突10BaseT と 100BaseT は相互接続できない


ブリッジ

リンク層デバイス

イーサネットフレームを蓄積，転送

フレームヘッダの MAC 終点アドレスにもとづいて選択的にフレームを転送

フレームをフォワードする必要があるときは，CSMA/CD によりセグメントにアクセス

透過性

ホストはブリッジの存在には気づかない

プラグ・アンド・プレイ，自己学習

ブリッジを設定する必要はない


ブリッジ：トラヒックの分離

LAN を複数の LAN セグメントに分割できるブリッジはパケットをフィルタリングできる：

始点，終点 MAC アドレスが同じ LAN セグメントにあるフレームは，他のセグメントにフォワードされない

セグメントは，分離されたコリジョンドメインになる

bridge collision domain

collision domain

= hub

= host

LAN (IP network)

LAN segment LAN segment


フォワーディング

どの LAN セグメントにフレームをフォワードすべきかをどのように決定するのか？


自己学習

ブリッジはブリッジテーブルをもつ

ブリッジテーブルの内容: (Node LAN Address, Bridge Interface, Time Stamp)古いエントリは廃棄（TTL は 60 minなどに設定）

ブリッジはどのホストがどのインタフェースから到達可能かを学習する

フレームを受信した際に，送信の場所（フレームがやってきた LAN セグメント）を学習する送信（アドレス）／位置（インタフェース）ペアをブリッジテーブルに記録


フィルタリング／フォワーディング

When bridge receives a frame:

index bridge table using MAC dest addressif entry found for destination

then{if dest on segment from which frame arrived

then drop the frameelse forward the frame on interface indicated

}else flood

forward on all but the interface on which the frame arrived

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ブリッジ学習の例

C が D にフレーム送信し，D が C に応答する場合を考える

ブリッジは C からのフレームを受信ブリッジテーブル内に C がインタフェース１側にいると記録D はテーブルにないため，ブリッジはインタフェース２，３にフレームをフォワード

D がフレームを受信


ブリッジ学習の例

D は C へのフレームを生成し，C へ送信ブリッジはフレーム受信

ブリッジテーブルに D がインタフェース２側にいることを記録ブリッジは C がインタフェース１側にいることを知っているので，選択的にインタフェース１にフレームをフォワーディング


バックボーンのない相互接続例

二つの理由からお勧めではない:- コンピュータ学科のハブが故障するだめ- EE と SE 間の全トラヒックが CS セグメントを通過する


バックボーン構成


ブリッジスパニングツリー

信頼性をあげるために，始点から終点までの冗長・予備パスをもつことが望ましい

マルチパスについては，ループが発生しうる- ブリッジがbridges may multiply and forward frame forever解：インタフェースの部分集合を無効化することでスパニング木を構成する

Disabled


ブリッジの特徴

コリジョンドメインの分割は，トータルの最大スループットを増加させる

ノード数や地理的カバーエリアの制約がなくなる

異なる Ethernet を接続できる透過的 (“plug-and-play”): 設定の必要なし

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ブリッジかルータか

どちらも蓄積・転送デバイスルータ: ネットワーク層デバイス（ネットワーク層ヘッダを調べる）ブリッジはリンク層デバイス

ルータはルーティングテーブルをもち，経路制御アルゴリズムを実装

ブリッジはブリッジテーブルをもち，フィルタリング，自己学習，スパニング木アルゴリズムを実装


ルータかブリッジか

ブリッジの + と -+ ブリッジ動作はパケット処理よりもずっと簡単+ ブリッジテーブルは自己学習-別経路の帯域が空いていたとしても全トラヒックがスパニング木で制約される

- ブリッジは，ブロードキャストストーム（ブロードキャストの嵐）から守ってくれない


ルータかブリッジか

ルータの + と -+ 任意のトポロジを想定可能で，パケットの巡回は TTL カウンタ（あるいは良い経路制御）で制限可能

+ ブロードキャストストームからの保護- IPアドレスの設定が必要（プラグアンドプレイじゃない）- より高い負荷のパケット処理が必要

ブリッジは小さなネットワーク向け（数百ホスト），ルータは大規模ネットワーク向け（数千ホスト）


イーサネットスイッチ

本質的にはマルチインタフェースブリッジ

レイヤ２（フレーム）フォワーディング，LANアドレスによるフィルタリング

スイッチング: AからA’，BからB’への同時送信可能，衝突なし

多数のインタフェース

一般的に，個々のホストはスイッチにスター接続

Ethernetだけど衝突なし


Ethernet スイッチ

カットスルースイッチ:全フレームの到着をまたずに入力ポートから出力ポートにフレームをフォワーディング

若干遅延を改善

10/100/1000 Mbps インタフェースの共有/専用の組み合わせ可能


一般的 LAN 構成 (IP network)Dedicated

Shared

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まとめと比較

hubs bridges routers switches

trafficisolation

no yes yes yes

plug & play yes yes no yes

optimalrouting

no no yes no

cutthrough

yes no no yes


Chapter 5 内容







IEEE 802.11 無線 LAN

802.11b2.4-5 GHz unlicensed radio spectrum最大 11 Mbps物理層：direct sequence spread spectrum (DSSS)

• 全ホストは同じ拡散符号を使用

広く普及

ベースステーションを使用

802.11a5-6 GHz range最大 54 Mbps

802.11g2.4-5 GHz range最大 54 Mbps

多重アクセスにCSMA/CA を使用全て，ベースステーションモードとアドホックモードがある


ベースステーション型

無線ホストはベースステーションと通信base station = access point (AP)

Basic Service Set (BSS) (“cell”) は以下から構成:wireless hostsaccess point (AP): base station

BSSs を接続し，分散システム（distribution system: DS）を構築


アドホックネットワーク型

AP (ベースステーション)なし無線ホストは互いに通信

ホストAからBにパケットを届けるためにはホストX, Y, Z を経由しなければならないかもしれない

アプリケーション:会議室における“laptop”ミーティングパーソナルデバイスの相互接続

戦場

IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working group


IEEE 802.11: 多重アクセス複数ノードが同時転送すると衝突発生

CSMA は意味がある:送信時は全帯域を使用

他の送信を検出したときは送信すべきではない

衝突検出はうまく機能しない：隠れ端末問題（hidden terminal problem）

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IEEE 802.11 MAC プロトコル: CSMA/CA

802.11 CSMA: 送信局- DISF sec. 間チャネルがアイドルと検出すれば全フレームを送信（衝突非検出）

- チャネルビジーを検出すると，バイナリバックオフ

802.11 CSMA 受信局-受信成功なら

SIFS後にACK返信(隠れ端末問題のためにACKが必要)


衝突回避メカニズム

問題：

互いに隠れ端末関係にある二つのノードがベースステーションに同時送信

長期間帯域を浪費！

解決方法:

小さな予約パケットを使用

各ノードは，内部の “network allocation vector”(NAV)により予約期間を管理


衝突回避: RTS-CTS交換

送信局は短いRTS (request to send) パケットを送信: 送信間隔が含まれている

受信局は，短いCTS (clear to send) パケットでもって応答周囲のノード（送信端末からみて隠れ端末の可能性のある）にこれからデータパケットを受信することを通知

隠れ端末は，ある一定の間（NAV）送信しない


衝突回避: RTS-CTS 交換RTS と CTS は短い:短時間なので衝突が発生しにくい

結果として衝突検出と同様の効果がある

IEEE 802.11は以下が可能:CSMACSMA/CA: reservationspolling from AP


Bluetooth について

小電力短距離無線技術10-100 meters

無指向赤外線通信ではない（見通せないとだめ）

装置間接続

2.4-2.5 GHz 特定小電力無線(免許不要)最大 721 kbps

無線 LAN，ディジタルコードレス電話，電子レンジとの干渉:周波数ホッピング

MAC プロトコルは以下をサポート:誤り訂正

ARQ各ノードは12-bitアドレスをもつ


Chapter 5 outline

5.1 Introduction and services5.2 Error detection and correction 5.3Multiple access protocols5.4 LAN addresses and ARP5.5 Ethernet

5.6 Hubs, bridges, and switches5.7 Wireless links and LANs 5.8 PPP5.9 ATM5.10 Frame Relay

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Point to Point Data Link Controlone sender, one receiver, one link: easier than broadcast link:

no Media Access Controlno need for explicit MAC addressinge.g., dialup link, ISDN line

popular point-to-point DLC protocols:PPP (point-to-point protocol)HDLC: High level data link control (Data link used to be considered “high layer” in protocol stack!


PPP Design Requirements [RFC 1557]

packet framing: encapsulation of network-layer datagram in data link frame

carry network layer data of any network layer protocol (not just IP) at same timeability to demultiplex upwards

bit transparency: must carry any bit pattern in the data fielderror detection (no correction)connection liveness: detect, signal link failure to network layernetwork layer address negotiation: endpoint can learn/configure each other’s network address


PPP non-requirements

no error correction/recoveryno flow controlout of order delivery OK no need to support multipoint links (e.g., polling)

Error recovery, flow control, data re-ordering all relegated to higher layers!


PPP Data Frame

Flag: delimiter (framing)Address: does nothing (only one option)Control: does nothing; in the future possible multiple control fieldsProtocol: upper layer protocol to which frame delivered (eg, PPP-LCP, IP, IPCP, etc)


PPP Data Frame

info: upper layer data being carriedcheck: cyclic redundancy check for error detection


Byte Stuffing“data transparency” requirement: data field must

be allowed to include flag pattern <01111110>Q: is received <01111110> data or flag?

Sender: adds (“stuffs”) extra < 01111110> byte after each < 01111110> data byteReceiver:

two 01111110 bytes in a row: discard first byte, continue data receptionsingle 01111110: flag byte

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Byte Stuffing

flag bytepatternin datato send

flag byte pattern plusstuffed byte in transmitted data


PPP Data Control ProtocolBefore exchanging network-

layer data, data link peers mustconfigure PPP link (max. frame length, authentication)learn/configure networklayer information

for IP: carry IP Control Protocol (IPCP) msgs(protocol field: 8021) to configure/learn IP address


Chapter 5 outline




Asynchronous Transfer Mode: ATM1990’s/00 standard for high-speed (155Mbps to 622 Mbps and higher) Broadband Integrated Service Digital Network architectureGoal: integrated, end-end transport of carry voice, video, data

meeting timing/QoS requirements of voice, video (versus Internet best-effort model)“next generation” telephony: technical roots in telephone worldpacket-switching (fixed length packets, called “cells”) using virtual circuits


ATM architecture

adaptation layer: only at edge of ATM networkdata segmentation/reassemblyroughly analogous to Internet transport layer

ATM layer: “network” layercell switching, routing

physical layer5: DataLink Layer 5a-

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ATM: network or link layer?Vision: end-to-end

transport: “ATM from desktop to desktop”

ATM is a network technology

Reality: used to connect IP backbone routers

“IP over ATM”ATM as switched link layer, connecting IP routers

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ATM Adaptation Layer (AAL)

ATM Adaptation Layer (AAL): “adapts” upper layers (IP or native ATM applications) to ATM layer belowAAL present only in end systems, not in switchesAAL layer segment (header/trailer fields, data) fragmented across multiple ATM cells

analogy: TCP segment in many IP packets


ATM Adaptation Layer (AAL) [more]

Different versions of AAL layers, depending on ATM service class:AAL1: for CBR (Constant Bit Rate) services, e.g. circuit emulationAAL2: for VBR (Variable Bit Rate) services, e.g., MPEG videoAAL5: for data (e.g., IP datagrams)

AAL PDU

ATM cell

User data


AAL5 - Simple And Efficient AL (SEAL)

AAL5: low overhead AAL used to carry IP datagrams

4 byte cyclic redundancy check PAD ensures payload multiple of 48bytes large AAL5 data unit to be fragmented into 48-byte ATM cells


ATM LayerService: transport cells across ATM network

analogous to IP network layervery different services than IP network layer

NetworkArchitecture

Internet

ATM

ATM

ATM

ATM

ServiceModel

best effort

CBR

VBR

ABR

UBR

Bandwidth

none

constantrateguaranteedrateguaranteed minimumnone

Loss

no

yes

yes

no

no

Order

no

yes

yes

yes

yes

Timing

no

yes

yes

no

no

Congestionfeedback

no (inferredvia loss)nocongestionnocongestionyes

no

Guarantees ?


ATM Layer: Virtual CircuitsVC transport: cells carried on VC from source to dest

call setup, teardown for each call before data can floweach packet carries VC identifier (not destination ID)every switch on source-dest path maintain “state” for each passing connectionlink,switch resources (bandwidth, buffers) may be allocated to VC: to get circuit-like perf.

Permanent VCs (PVCs)long lasting connectionstypically: “permanent” route between to IP routers

Switched VCs (SVC):dynamically set up on per-call basis


ATM VCsAdvantages of ATM VC approach:

QoS performance guarantee for connection mapped to VC (bandwidth, delay, delay jitter)

Drawbacks of ATM VC approach:Inefficient support of datagram trafficone PVC between each source/dest pair) does not scale (N*2 connections needed) SVC introduces call setup latency, processing overhead for short lived connections

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ATM Layer: ATM cell5-byte ATM cell header48-byte payload

Why?: small payload -> short cell-creation delay for digitized voicehalfway between 32 and 64 (compromise!)

Cell header

Cell format


ATM cell headerVCI: virtual channel ID

will change from link to link thru netPT: Payload type (e.g. RM cell versus data cell) CLP: Cell Loss Priority bit

CLP = 1 implies low priority cell, can be discarded if congestion

HEC: Header Error Checksumcyclic redundancy check


ATM Physical Layer (more)

Two pieces (sublayers) of physical layer:Transmission Convergence Sublayer (TCS): adapts ATM layer above to PMD sublayer belowPhysical Medium Dependent: depends on physical medium being used

TCS Functions:Header checksum generation: 8 bits CRC Cell delineationWith “unstructured” PMD sublayer, transmission of idle cells when no data cells to send


ATM Physical Layer

Physical Medium Dependent (PMD) sublayerSONET/SDH: transmission frame structure (like a container carrying bits);

bit synchronization; bandwidth partitions (TDM); several speeds: OC3 = 155.52 Mbps; OC12 = 622.08 Mbps; OC48 = 2.45 Gbps, OC192 = 9.6 Gbps

TI/T3: transmission frame structure (old telephone hierarchy): 1.5 Mbps/ 45 Mbpsunstructured: just cells (busy/idle)


IP-Over-ATMClassic IP only

3 “networks” (e.g., LAN segments)MAC (802.3) and IP addresses

IP over ATMreplace “network”(e.g., LAN segment) with ATM networkATM addresses, IP addresses

ATMnetwork

EthernetLANs

EthernetLANs


IP-Over-ATM

Issues:IP datagrams into ATM AAL5 PDUsfrom IP addresses to ATM addresses

just like IP addresses to 802.3 MAC addresses!

ATMnetwork

EthernetLANs

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Datagram Journey in IP-over-ATM Network

at Source Host:IP layer maps between IP, ATM dest address (using ARP)passes datagram to AAL5AAL5 encapsulates data, segments cells, passes to ATM layer

ATM network: moves cell along VC to destinationat Destination Host:

AAL5 reassembles cells into original datagramif CRC OK, datagram is passed to IP


Chapter 5 outline




Frame Relay

Like ATM:wide area network technologies Virtual-circuit oriented origins in telephony worldcan be used to carry IP datagrams

can thus be viewed as link layers by IP protocol


Frame RelayDesigned in late ‘80s, widely deployed in the ‘90sFrame relay service:

no error controlend-to-end congestion control


Frame Relay (more)Designed to interconnect corporate customer LANs

typically permanent VC’s: “pipe” carrying aggregate traffic between two routers switched VC’s: as in ATM

corporate customer leases FR service from public Frame Relay network (e.g., Sprint, ATT)


Frame Relay (more)

Flag bits, 01111110, delimit frameaddress:

10 bit VC ID field3 congestion control bits• FECN: forward explicit congestion

notification (frame experienced congestion on path)

• BECN: congestion on reverse path• DE: discard eligibility

addressflags data CRC flags

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Frame Relay -VC Rate ControlCommitted Information Rate (CIR)

defined, “guaranteed” for each VCnegotiated at VC set up timecustomer pays based on CIR

DE bit: Discard Eligibility bitEdge FR switch measures traffic rate for each VC; marks DE bitDE = 0: high priority, rate compliant frame; deliver at “all costs”DE = 1: low priority, eligible for congestion discard


Frame Relay - CIR & Frame Marking

Access Rate: rate R of the access link between source router (customer) and edge FR switch(provider); 64Kbps < R < 1,544KbpsTypically, many VCs (one per destination router) multiplexed on the same access trunk; each VC has own CIREdge FR switch measures traffic rate for each VC; it marks (i.e. DE = 1) frames which exceed CIR (these may be later dropped)Internet’s more recent differentiated serviceuses similar ideas


Chapter 5: Summaryprinciples behind data link layer services:

error detection, correctionsharing a broadcast channel: multiple accesslink layer addressing, ARP

link layer technologies: Ethernet, hubs, bridges, switches,IEEE 802.11 LANs, PPP, ATM, Frame Relayjourney down the protocol stack now OVER!

next stops: multimedia, security, network management

chapter 5 chapter 5: データリンク層 data link …3 5: datalink layer 5a-13...

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